‘Several questions about origin of life have been answered, but much remains to be studied’’ said Stanley Miller and Harold Urey way back in 1959 after reporting laboratory synthesis of amino acids in primitive earth conditions. Many advances down the line yet the scientists have long been grappling with a fundamental question – which genetic material was first to be formed on the primitive earth, DNR or RNR, or a bit of both? There is evidence now to suggest that DNR ir RNR both may have co-existed in the primordial soup from where the life forms may have evolved with respective genetic materials.
Pagrindinė molekulinės biologijos dogma teigia, kad DNR daro RNR daro baltymai. Baltymai are responsible for majority, if not all the reactions taking place in an organism. The entire functionality of an organism is majorly dependent upon their presence and interaction of baltymų molecules. According to central dogma, baltymai are produced by the information contained in DNR which is converted to functional baltymų via a messenger called RNA. However, it is possible that baltymai themselves can survive independently without any DNR or RNR, as is the case with prions (misfolded baltymų molecules that do not contain DNR or RNR), but can survive on their own.
Taigi gyvybės atsiradimo scenarijai gali būti trys.
A) If the baltymai or its building blocks were able to form abiotically during the atmosphere that existed billions of years ago in primordial soup, baltymai can be termed as the basis of gyvybės kilmė. Eksperimentiniai įrodymai jos naudai gauti iš garsaus Stanley Millerio eksperimento1, 2, kuris parodė, kad kai metano, amoniako, vandens ir vandenilio mišinys sumaišomas ir cirkuliuoja pro elektros iškrovą, susidaro aminorūgščių mišinys. Po septynerių metų tai vėl buvo patvirtinta3 in 1959 by Stanley Miller and Harold Urey stating that the presence of reducing atmosphere in primordial earth gave rise to synthesis of organinis compounds in the presence of above-mentioned gases plus smaller amounts of carbon monoxide and carbon dioxide. The relevance of Miller-Urey experiments was questioned by the scientific fraternity for a number of years, who thought that the gas mixture used in their research was too reducing with respect to the conditions that existed on primordial Earth. A number of theories pointed towards a neutral atmosphere containing an excess of CO2 with N2 and water vapor4. Tačiau neutrali atmosfera taip pat buvo nustatyta kaip tikėtina aplinka aminorūgščių sintezei5. Be to, už baltymai to act as origins of life, they need to self-replicating leading to a combination of different baltymai to cater to different reactions taking place in an organism.
B) Jei pirmykštė sriuba sudarė sąlygas statybiniams blokams DNR ir / arba RNR to be formed, then either of these could have been the genetic material. The research until now favoured RNR to be the genetic material for the origin of life forms due to their capability of folding upon itself, existing as a single strand and acting as an enzyme6, capable of making more RNR molecules. A number of self-replicating RNA enzymes7 have been discovered over the years suggesting RNR to be the starting genetic material. This was further strengthened by the research performed by John Sutherland’s group that led to the formation of two bases of RNA in an environment similar to primordial soup by including phosphate in the mixture8. RNR statybinių blokų susidarymas taip pat buvo parodytas imituojant redukuojančią atmosferą (kurioje yra amoniako, anglies monoksido ir vandens), panašią į naudojamą Miller-Urey eksperimente, o tada per jas leidžiant elektros iškrovas ir didelės galios lazerius.9. If RNA is to be believed to be the originator, then when and how did DNR and proteins come into being? Did DNR develop as a genetic material later because of the unstable nature of RNA and proteins followed suit. Answers to all these questions still remain unanswered.
C) Trečiasis scenarijus, kad DNR ir RNR gali kartu egzistuoti pirmykštėje sriuboje, dėl kurios atsirado gyvybė, kilo iš tyrimų, paskelbtų 3 d.rd June 2020 by John Sutherland’s group from the MRC Laboratory at Cambridge, UK. The researchers simulated the conditions that existed on a primordial Earth billions of years ago, with shallow ponds in the lab. They first dissolved chemicals that form RNR in water, followed by drying and heating them and then subjecting them to UV radiation that simulated sun’s rays existing in primordial time. This not only led to the synthesis of the two building blocks of RNR bet ir DNR, suggesting that both nucleic acids co-existed at the time of origin of life10.
Remiantis šiandien turimomis žiniomis ir gerbiant pagrindinę molekulinės biologijos dogmą, atrodo tikėtina, kad DNR ir RNR egzistavo kartu, o tai paskatino gyvybės atsiradimą ir baltymų susidarymą vėliau.
Tačiau autorius nori spėlioti kitą scenarijų, kai visos trys svarbios biologinės makromolekulės, t. DNR, RNR ir baltymai egzistavo kartu pirmykštėje sriuboje. Netvarkingos sąlygos, buvusios pirmykštėje sriuboje, susijusios su chemine žemės paviršiaus prigimtimi, ugnikalnių išsiveržimais ir dujų, tokių kaip amoniakas, metanas, anglies monoksidas, anglies dioksidas, kartu su vandeniu, buvimas galėjo būti idealus visoms makromolekulėms susidaryti. Užuominą apie tai pateikė Ferus ir kt. atlikti tyrimai, kuriuose nukleobazės susidarė toje pačioje redukuojančioje atmosferoje9 naudojamas Miller-Urey eksperimente. Jei tikėsime šia hipoteze, tai evoliucijos eigoje skirtingi organizmai perėmė vieną ar kitą genetinę medžiagą, kuri palankė jų egzistavimui toliau.
Tačiau bandant suprasti gyvybės formų kilmę, reikia atlikti daug tolesnių tyrimų, kad būtų atsakyta į esminius ir svarbius klausimus apie tai, kaip gyvybė atsirado ir plito. Tam reikėtų „nepaprasto“ požiūrio, nepasikliaujant jokiais išankstiniais nusistatymais, kuriuos į mūsų mąstymą įvedė dabartinės mokslo dogmos.
***
Nuorodos:
1. Miller S., 1953. Aminorūgščių gamyba galimomis primityviomis Žemės sąlygomis. Mokslas. 15 m. gegužės 1953 d.: t. 117, 3046 leidimas, p. 528–529 DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528
2. Bada JL, Lazcano A. ir kt., 2003. Prebiotic Soup – Revisiting the Miller Experiment. Mokslas 02 m. gegužės 2003 d.: t. 300, 5620 leidimas, p. 745–746 DOI: https://doi.org/10.1126/science.1085145
3. Miller SL ir Urey HC, 1959. Organinių junginių sintezė primityvioje žemėje. Mokslas 31 m. liepos 1959 d.: t. 130, 3370 laida, 245-251 p. DOI: https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245
4. Kastingas JF, Howardas MT. 2006. Ankstyvosios Žemės atmosferos sudėtis ir klimatas. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 361:1733–1741 (2006). Paskelbta: 07 m. rugsėjo 2006 d. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902
5. Cleaves HJ, Chalmers JH ir kt., 2008. Pakartotinis prebiotinės organinės sintezės neutralioje planetų atmosferoje įvertinimas. Orig Life Evol Biosph 38:105–115 (2008). DOI: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3
6. Zaug, AJ, Cech TR. 1986. The intervening sequence RNR of Tetrahymena is an enzyme. Science 31 Jan 1986: Vol. 231, Issue 4737, pp. 470-475 DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911
7. Wochner A, Attwater J ir kt., 2011. Ribozyme-Catalyzed Transcription of an Active Ribozyme. Mokslas 08 Apr: Vol. 332, 6026 laida, 209-212 p. (2011). DOI: https://doi.org/10.1126/science.1200752
8. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J., 2009. Aktyvuotų pirimidino ribonukleotidų sintezė prebiotiškai tikėtinomis sąlygomis. Nature 459, 239–242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013
9. Ferus M, Pietrucci F ir kt., 2017. Nukleobazių susidarymas Miller-Urey redukuojančioje atmosferoje. PNAS 25 m. balandžio 2017 d. 114 (17) 4306-4311; pirmą kartą paskelbta 10 m. balandžio 2017 d. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114
10. Xu, J., Chmela, V., Green, N. et al. 2020 Selective prebiotic formation of RNA pyrimidine and DNR purine nucleosides. Nature 582, 60–66 (2020). Published: 03 June 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9
***
